PXI 架構簡介

PXI 系統提供高效能的模組化儀器與其他 I/O 模組，能進行專用同步作業與重要的軟體功能，適用於裝置驗證乃至於自動化生產測試等各項測試與量測用途。  圖 1 的兩張圖片比較 PXI 系統機箱、控制器和 PXI(e) 週邊模組與商用桌上型電腦零組件之間的差異，能幫助您深入瞭解 PXI。重點在於瞭解 PXI 如何以商用電腦技術為基準並與之相呼應：

• PXI 機箱 與桌上型電腦機箱的比較
• PXI 控制器 與桌上型電腦 CPU、記憶體和 I/O 的比較
• PXI(e) 週邊模組 與桌上型電腦 PCI(e) 週邊模組的比較

圖 1.比較 PXI 系統與商用桌上型電腦。

檢測設備 PCI 擴充模組 (PCI eXtensions for Instrumentation, PXI) 是一種備受肯定的 PC-Based 量測與自動作業系統平台。這個平台能供電、冷卻，並提供一個通訊匯流排，可以支援同一個機箱內部的多個檢測設備模組。PXI 採用商用 PC-Based PCI 匯流排技術，同時結合堅固耐用的 CompactPCI 模組化封裝技術，以及重要的時序與同步作業功能。

週邊零組件互連專門研究小組 (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group, PCI-SIG) 推出採用 PCI Express 標準的新版 PCI 技術之後，大幅改善了系統頻寬。負責管理 PXI 的 PXI 系統聯盟 (PXI Systems Alliance, PXISA) 採用最新一代的商用 PC 匯流排技術，將 PXI 升級為 PXI Express。PXI Express 為能確實向後相容而保留原有 PXI 功能，同時在 PXI 標準功能之外，進一步提供更多的頻寬、電源、冷卻、時序與同步作業功能。

PXI 和 PXI Express 功能如此豐富，看似相當複雜，但兩項技術的核心其實是一樣的：主流電腦通訊匯流排。PXI 和 PXI Express 機箱是現今工程師所慣用的量測與自動作業系統架構。

PXI 是由 PXISA 管理的開放式規格，因此任何廠商都能打造出 PXI 產品。為協助說明 PXI 系統的基本細節，這份技術文章著重於說明 PXISA 所定義的規格，以及這類規格在 NI PXI 硬體的實作。

PXISA 硬體規格規定攸關機械、電機與軟體架構的所有功能需求。PXI Express 規格是 CompactPCI 與 CompactPCI Express 規格的實作。圖 2 說明機械與電機領域結合 CompactPCI 和 CompactPCI Express 規格與 PXI 重要功能，用於建立整體架構的方式。本文章後續章節會逐一詳細介紹這些階層，同時說明這些階層之於 PXI 的應用。

圖 2.PXI 整體架構

機械架構規範 CompactPCI、CompactPCI Express、PXI 和 PXI Express 之間的物理相容條件。舉例來說，機械架構會將系統控制器定義為 PXI 機箱最左邊的插槽，這是為了要求系統控制器確實位在 PCI 匯流排區段的最左側。將控制器固定在這個位置能簡化整合程序，也能提高機箱與各種控制器之間的相容性。

PXI 系統所使用的控制器，可以是外接 PC，也可以是嵌入式控制器。嵌入式控制器包括整合式 CPU、硬碟、記憶體、乙太網路、視訊、序列、USB，以及其他 I/O 週邊裝置。標準 Windows 環境是外接電腦所採用的標準作業系統，您可以在這樣的環境中開發應用程式。

圖 3.嵌入式控制器有多種 I/O 連接功能，能夠連接獨立儀器或週邊裝置。

PXI 規格採用高效能 IEC 接頭，以及 CompactPCI 和 CompactPCI Express 所用的 EuCard 封裝系統，這是相當堅固耐用的封裝系統。

圖 4.NI PXI-8430 採用類 EuroCard 封裝，以及高效能 IEC 接頭。

儀器透過這個接頭，經由背板的匯流排與系統中的其他儀器連接並進行通訊；PCI 和 PCI Express 匯流排就屬於這類匯流排。這些接頭設定也能保持向後相容性，可以因應規格的發展而加入最新的通訊匯流排。詳情請參閱說明電機的部分。

圖 5.規格定義與 PXI 機箱通訊時應使用的接頭。

除 CompactPCI 和 CompactPCI Express 之外，PXI 機械規格也改進了具體的冷卻功能和環境，以在工業環境中確實發揮完整作用。

圖 6.瞭解符合冷卻功能規格條件的 PXI 機箱。

電機架構規定必須以 PCI、PCI Express、CompactPCI 以及CompactPCI Express 規格與功率需求為準。此外也加入具體的時序和同步作業功能，這是 PXI 平台的特色，也是這類平台適用於高效能測試與量測的原因。

PXI 機箱的核心電機功能就是通訊匯流排。PCI 發展到 PCI Express 之後，相關規格也隨之發展，透過將 PCI Express 整合於 PXI 機箱背板的方式，力求 PXI 確實能夠符合更多應用方面的需求。

PXI 支援舊型儀器進行 PCI 通訊；這是一種 32 位元匯流排，常用於平行傳輸與接收資料。PCI 儀器的最大頻寬或傳輸量是 132 MB/s。應用程式必須用到的頻寬越來越高，於是出現 PCI Express 標準，可以透過稱為「通道」的傳輸/接收連線對組，以序列方式傳送資料，達到單向 250 MB/s 的資料傳輸率。這樣的序列連線方式稱為 PCI Express Gen1 x1「連結」(by-one)。組合多個通道就會形成 x2、x4、x8、x16、x32 的連結，因此能夠提高頻寬。這些連結會在控制器與固定儀器的插槽之間形成連接。舉例來說，一個 x16 插槽能達到的傳輸/接收率是 4 GB/s (250 MB/s * 16)。為讓舊型 PXI 儀器與新型 PXI Express 儀器能確實相容，PXI 機箱內同時結合了 PCI 與 PCI Express 通訊匯流排。PXI 會隨著新一代 PCI Express 規格的發展，繼續將新功能整合於 PXI 機箱，同時確實保持向後相容性。

圖 7.這個 NI PXIe-1085 機箱範例著重於根據插槽適用的模組類型調整接到每個插槽的 PCI 和 PCI Express 線路。

除了隨著機箱通訊匯流排的發展整合最新 PC 技術之外，PXI 週邊模組也已經從 PXI 發展成 PXI Express，以利充分運用 PCI Express 通訊匯流排功能。為確實做到 PXI 和 PXI Express 模組之間能夠發揮模組相容性，PXI 規格新增了混合式插槽。這類插槽支援您將 PXI 或 PXI Express 週邊模組插入 PXI 機箱。一個 PXI 機箱可以包含：

• 1 個適用嵌入式或遠端 PXI Express 控制器的系統插槽
• 適用 PXI 模組的 PXI 週邊插槽
• 適用 PXI Express 週邊模組、32 位元 CompactPCI 週邊模組，以及支援混合規格之 PXI 週邊模組的 PXI Express 混合式週邊插槽
• 1 個適用 PXI Express 週邊模組和 PXI Express 系統時序模組的系統時序插槽

圖 8.PXI 機箱常用插槽類型

整體而言，這項規格定義 PXI 機箱背板能夠支援的技術。

圖 9.PXI 機箱整合最新的通訊匯流排，其線路適用於許多不同的插槽，因此能夠因應週邊模組的需求。

除通訊匯流排之外，電機規格也定義時序與同步作業功能。其中包括 PXI 10 MHz 系統時脈的定義，這項定義一體適用於系統中的所有週邊模組。這個通用參考時脈能夠讓量測或控制系統中的多個模組保持同步。除了時脈之外，PXI 的觸發功能也很重要，例如多點觸發匯流排與相符的軌跡長度星形觸發網路。PXI 觸發匯流排由 8 個 PXI 觸發路線形成，不但具有彈性，還能發揮多種用途。舉例來說，可以運用觸發條件讓數個 PXI 週邊模組保持同步作業。

圖 10.NI PXIe-1085 機箱 PXI 觸發匯流排連接圖，顯示將觸發條件傳送至 PXI 週邊模組的方式。

針對要求更高效能的應用，這項規格定義 PXI 星形觸發網路，能讓 PXI 系統多一組效能更高的同步作業功能。星形觸發網路會在系統時序插槽（分別以菱形或正方形符號括住插槽編號、PXI 和 PXI Express 表示）與其他週邊插槽之間建立專用的觸發通道。這個插槽裝了一個時序和同步作業模組（星形觸發控制器），用於對其他週邊模組發出精準的時脈和觸發訊號。它也能夠讓內建 (TCXO、 OCXO)、衍生 (DDS) 或外接（銣源）時脈覆寫 PXI 機箱內建 VCXO 的精確度，用於定義機箱的高頻率系統參考時脈、10 MHz 時脈以及 100 MHz 時脈。

圖 11.NI PXIe-1085 機箱會以這個星形連接圖確認每個插槽的傳播延遲均一致。

下圖說明 PXI 觸發匯流排和 PXI 星形觸發網路在插槽之間的傳遞路線。最初之所以會開始使用 SYNC 100 同步處理機箱內的 10 MHz 和 100 MHz 時脈，就是為了讓所有功能確實保持相容。

圖 12.選擇最合適的設定，確保時序和同步功能確實符合您在應用方面的需求。

PXI 軟體規格定義軟體架構，這是 PXI 平台的一項重要元素。PXI 是以軟體定義的檢測設備範例為準，因此，PXI 硬體原本並沒有使用者能夠直接使用的功能，例如顯示畫面、旋鈕及按鈕。使用者能夠操作的功能，全數由軟體提供。軟體架構定義系統控制器模組與 PXI 週邊模組的 PXI 系統軟體需求。系統控制器模組和 PXI 週邊模組必須符合特定的作業系統與工具支援需求，才算符合既定的 PXI 軟體架構規範。

圖 13.PXI 軟體架構

PXI 規格代表使用 Microsoft Windows 作業系統的 PXI 系統所應採用的軟體架構。因此，控制器可使用符合工業標準的應用程式設計介面，例如 NI LabVIEW、NI Measurement Studio、Visual Basic、Visual C/C++，以及 Python。PXI 也要求模組和機箱廠商提供特定的軟體元件。PXI 元件必須使用定義系統設定和系統功能的初始化檔案。最後，檢測設備領域已經廣泛採用執行 VISA 的方式，這也是 PXI 指定的 VXI、GPIB、序列及 PXI 檢測設備設定與控制方式。

圖 14.下方圖表從軟體定位的角度呈現完整的 PXI 架構。

以簡單的 PXI 系統使用情況為例：使用諸如 NI PXIe-5451 之類的 PXI 模組產生訊號。您使用 Windows 架構控制器，以 LabVIEW 軟體編寫程式。LabVIEW 透過儀器驅動程式與儀器通訊。使用 Measurement & Automation Explorer (MAX) 確認系統設定適合進行這類通訊。

圖 15.硬體設定與軟體環境範例

您執行在 LabVIEW 中編寫的程式開始進行通訊。LabVIEW 程式執行一連串背景運作。請參閱下方的通訊步驟說明：

步驟 1：PXI 系統控制器執行 LabVIEW

編譯應用程式碼後轉換成機器層級程式碼。

步驟 2：PXI 系統控制器將在 LabVIEW 中編寫的命令傳送至插在 PXI 週邊插槽中的儀器

機器層級程式碼在 PXI 系統控制器記憶體與處理器中轉換成電機訊號，再經由 PCI 或 PCI Express 通訊匯流排傳遞。在此範例中，透過將系統控制器連接於週邊儀器的 PXI 機箱背板所傳遞的，就是 PCI Express 通訊。

步驟 3：機箱背板上的通訊匯流排會傳遞命令

訊號透過 PCI Express 通訊匯流排傳播至儀器所在的 PXI 插槽。

步驟 4：系統將程式碼傳遞至儀器

PXI 模組讀取所傳送的命令。以此範例來說，NI PXIe-5451 會產生一個訊號，讓儀器使用模組上的電路讀取訊號，從而按照要求執行操作，並且會產生一個訊號，再將訊號傳遞到模組前端的接頭。

圖 16 示範透過控制器將通訊傳遞到實際插槽的方式。

圖 16.透過背板傳播訊號的範例

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